C++ 类和对象（下篇）深度解析
🎯 本节目标
- 🔄 再谈构造函数
- 👥 Static成员
- 🤝 友元
- 🏠 内部类
- 📦 再次理解封装
1️⃣ 再谈构造函数
1.1 📝 构造函数体赋值
在创建对象时，编译器通过调用构造函数，给对象中各个成员变量一个合适的初始值。
class Date
{
public:
Date(int year, int month, int day)
{
_year = year;
_month = month;
_day = day;
}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};
⚠️ 注意：虽然上述构造函数调用之后，对象中已经有了一个初始值，但是不能将其称为对对象中成员变量的初始化，构造函数体中的语句只能将其称为赋初值，而不能称作初始化。因为初始化只能初始化一次，而构造函数体内可以多次赋值。
1.2 📋 初始化列表
初始化列表：以一个冒号开始，接着是一个以逗号分隔的数据成员列表，每个"成员变量"后面跟一个放在括号中的初始值或表达式。
class Date
{
public:
Date(int year, int month, int day)
: _year(year)
, _month(month)
, _day(day)
{}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};
🔑 初始化列表的注意事项
① 每个成员变量在初始化列表中只能出现一次（初始化只能初始化一次）
② 类中包含以下成员，必须放在初始化列表位置进行初始化：
- 引用成员变量
- const成员变量
- 自定义类型成员（且该类没有默认构造函数时）
class A
{
public:
A(int a)
:_a(a)
{}
private:
int _a;
};
class B
{
public:
B(int a, int ref)
:_aobj(a)
,_ref(ref)
,_n(10)
{}
private:
A _aobj; // 没有默认构造函数
int& _ref; // 引用
const int _n; // const
};
③ 尽量使用初始化列表初始化，因为不管你是否使用初始化列表，对于自定义类型成员变量，一定会先使用初始化列表初始化。
class Time
{
public:
Time(int hour = 0)
:_hour(hour)
{
cout << "Time()" << endl;
}
private:
int _hour;
};
class Date
{
public:
Date(int day)
{}
private:
int _day;
Time _t;
};
int main()
{
Date d(1);
}
④ 成员变量在类中声明次序就是其在初始化列表中的初始化顺序，与其在初始化列表中的先后次序无关
class A
{
public:
A(int a)
:_a1(a)
,_a2(_a1)
{}
void Print() {
cout<<_a1<<" "<<_a2<<endl;
}
private:
int _a2;
int _a1;
};
int main() {
A aa(1);
aa.Print();
}
🤔 思考题：上面代码的输出是什么？
- A. 输出 1 1
- B. 程序崩溃
- C. 编译不通过
- D. 输出 1 随机值 ✅
解析：因为成员变量的初始化顺序是按照声明顺序（先
_a2后_a1），而不是初始化列表中的顺序。所以_a2先被初始化，此时_a1还未初始化，因此_a2得到的是随机值。
1.3 🚫 explicit关键字
构造函数不仅可以构造与初始化对象，对于接收单个参数的构造函数，还具有类型转换的作用。
接收单个参数的构造函数具体表现：
- 构造函数只有一个参数
- 构造函数有多个参数，除第一个参数没有默认值外，其余参数都有默认值
- 全缺省构造函数
class Date
{
public:
// 1. 单参构造函数，没有使用explicit修饰，具有类型转换作用
// explicit修饰构造函数，禁止类型转换 --- explicit去掉之后，代码可以通过编译
explicit Date(int year)
:_year(year)
{}
/*
// 2. 虽然有多个参数，但是创建对象时后两个参数可以不传递，没有使用explicit修饰，具有类型转换作用
// explicit修饰构造函数，禁止类型转换
explicit Date(int year, int month = 1, int day = 1)
: _year(year)
, _month(month)
, _day(day)
{}
*/
Date& operator=(const Date& d)
{
if (this != &d)
{
_year = d._year;
_month = d._month;
_day = d._day;
}
return *this;
}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};
void Test()
{
Date d1(2022);
// 用一个整形变量给日期类型对象赋值
// 实际编译器背后会用2023构造一个无名对象，最后用无名对象给d1对象进行赋值
d1 = 2023;
// 将1屏蔽掉，2放开时则编译失败，因为explicit修饰构造函数，禁止了单参构造函数类型转换的作用
}
💡 总结：上述代码可读性不是很好，用
explicit修饰构造函数，将会禁止构造函数的隐式转换。
2️⃣ 👥 static成员
2.1 📖 概念
声明为static的类成员称为类的静态成员，用static修饰的成员变量，称之为静态成员变量；用static修饰的成员函数，称之为静态成员函数。静态成员变量一定要在类外进行初始化。
🎯 面试题：实现一个类，计算程序中创建出了多少个类对象。
class A
{
public:
A() { ++_scount; }
A(const A& t) { ++_scount; }
~A() { --_scount; }
static int GetACount() { return _scount; }
private:
static int _scount;
};
int A::_scount = 0;
void TestA()
{
cout << A::GetACount() << endl;
A a1, a2;
A a3(a1);
cout << A::GetACount() << endl;
}
2.2 ✨ 特性
- 静态成员为所有类对象所共享，不属于某个具体的对象，存放在静态区
- 静态成员变量必须在类外定义，定义时不添加
static关键字，类中只是声明 - 类静态成员即可用类名::静态成员或者对象.静态成员来访问
- 静态成员函数没有隐藏的this指针，不能访问任何非静态成员
- 静态成员也是类的成员，受
public、protected、private访问限定符的限制
❓ 思考问题
-
静态成员函数可以调用非静态成员函数吗？
- ❌ 不可以。因为静态成员函数没有
this指针，无法访问非静态成员。
- ❌ 不可以。因为静态成员函数没有
-
非静态成员函数可以调用类的静态成员函数吗？
- ✅ 可以。非静态成员函数拥有
this指针，可以正常调用静态成员函数。
- ✅ 可以。非静态成员函数拥有
3️⃣ 🤝 友元
友元提供了一种突破封装的方式，有时提供了便利。但是友元会增加耦合度，破坏了封装，所以友元不宜多用。
友元分为：友元函数和友元类
3.1 🔗 友元函数
问题：现在尝试去重载operator<<，然后发现没办法将operator<<重载成成员函数。因为cout的输出流对象和隐含的this指针在抢占第一个参数的位置。this指针默认是第一个参数也就是左操作数了。但是实际使用中cout需要是第一个形参对象，才能正常使用。所以要将operator<<重载成全局函数。但又会导致类外没办法访问成员，此时就需要友元来解决。operator>>同理。
// ❌ 错误写法：将operator<<重载为成员函数
class Date
{
public:
Date(int year, int month, int day)
: _year(year)
, _month(month)
, _day(day)
{}
// d1 << cout; -> d1.operator<<(&d1, cout); 不符合常规调用
// 因为成员函数第一个参数一定是隐藏的this，所以d1必须放在<<的左侧
ostream& operator<<(ostream& _cout)
{
_cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;
return _cout;
}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};
友元函数可以直接访问类的私有成员，它是定义在类外部的普通函数，不属于任何类，但需要在类的内部声明，声明时需要加friend关键字。
// ✅ 正确写法：使用友元函数
class Date
{
friend ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d);
friend istream& operator>>(istream& _cin, Date& d);
public:
Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)
: _year(year)
, _month(month)
, _day(day)
{}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};
ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d)
{
_cout << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day;
return _cout;
}
istream& operator>>(istream& _cin, Date& d)
{
_cin >> d._year;
_cin >> d._month;
_cin >> d._day;
return _cin;
}
int main()
{
Date d;
cin >> d;
cout << d << endl;
return 0;
}
📌 友元函数说明
- 友元函数可访问类的私有和保护成员，但不是类的成员函数
- 友元函数不能用const修饰
- 友元函数可以在类定义的任何地方声明，不受类访问限定符限制
- 一个函数可以是多个类的友元函数
- 友元函数的调用与普通函数的调用原理相同
3.2 🏗️ 友元类
友元类的所有成员函数都可以是另一个类的友元函数，都可以访问另一个类中的非公有成员。
class Time
{
friend class Date; // 声明日期类为时间类的友元类，则在日期类中就可以直接访问Time类中的私有成员变量
public:
Time(int hour = 0, int minute = 0, int second = 0)
: _hour(hour)
, _minute(minute)
, _second(second)
{}
private:
int _hour;
int _minute;
int _second;
};
class Date
{
public:
Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)
: _year(year)
, _month(month)
, _day(day)
{}
void SetTimeOfDate(int hour, int minute, int second)
{
// 直接访问时间类私有的成员变量
_t._hour = hour;
_t._minute = minute;
_t._second = second;
}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
Time _t;
};
⚠️ 友元类的特性
- 友元关系是单向的，不具有交换性。比如上述
Time类和Date类，在Time类中声明Date类为其友元类，那么可以在Date类中直接访问Time类的私有成员变量，但想在Time类中访问Date类中私有的成员变量则不行。 - 友元关系不能传递。如果B是A的友元，C是B的友元，则不能说明C是A的友元。
- 友元关系不能继承，在继承位置再给大家详细介绍。
4️⃣ 🏠 内部类
📖 概念
如果一个类定义在另一个类的内部，这个内部类就叫做内部类。内部类是一个独立的类，它不属于外部类，更不能通过外部类的对象去访问内部类的成员。外部类对内部类没有任何优越的访问权限。
💡 注意：内部类就是外部类的友元类，参见友元类的定义，内部类可以通过外部类的对象参数来访问外部类中的所有成员。但是外部类不是内部类的友元。
✨ 特性
- 内部类可以定义在外部类的
public、protected、private都是可以的。 - 注意内部类可以直接访问外部类中的
static成员，不需要外部类的对象/类名。 sizeof(外部类)=外部类，和内部类没有任何关系。
class A
{
private:
static int k;
int h;
public:
class B // B天生就是A的友元
{
public:
void foo(const A& a)
{
cout << k << endl; // OK，可以直接访问外部类的static成员
cout << a.h << endl; // OK，通过外部类对象访问私有成员
}
};
};
int A::k = 1;
int main()
{
A::B b;
b.foo(A());
return 0;
}
5️⃣ 📦 再次理解类和对象
现实生活中的实体计算机并不认识，计算机只认识二进制格式的数据。如果想要让计算机认识现实生活中的实体，用户必须通过某种面向对象的语言，对实体进行描述，然后通过编写程序，创建对象后计算机才可以认识。
比如想要让计算机认识洗衣机，就需要：
- 抽象认知 🧠：用户先要对现实中洗衣机实体进行抽象——即在人为思想层面对洗衣机进行认识，洗衣机有什么属性，有哪些功能，即对洗衣机进行抽象认知的一个过程
- 用类描述 💻：经过第1步之后，在人的头脑中已经对洗衣机有了一个清醒的认识，只不过此时计算机还不清楚，想要让计算机识别人想象中的洗衣机，就需要人通过某种面向对象的语言（比如：C++、Java、Python等）将洗衣机用类来进行描述，并输入到计算机中
- 实例化对象 🏭：经过第2步之后，在计算机中就有了一个洗衣机类，但是洗衣机类只是站在计算机的角度对洗衣机对象进行描述的，通过洗衣机类，可以实例化出一个个具体的洗衣机对象，此时计算机才知道洗衣机是什么东西
- 模拟实体 ✅：用户就可以借助计算机中洗衣机对象，来模拟现实中的洗衣机实体了
💡 核心理解：在类和对象阶段，大家一定要体会到，类是对某一类实体（对象）来进行描述的，描述该对象具有哪些属性，哪些方法，描述完成后就形成了一种新的自定义类型，才用该自定义类型就可以实例化具体的对象。
📝 小总结
| 知识点 | 核心要点 | 面试频率 |
|---|---|---|
| 🔄 初始化列表 | 必须初始化引用、const、无默认构造的自定义类型成员 | ⭐⭐⭐⭐⭐ |
| 🚫 explicit | 禁止构造函数隐式类型转换 | ⭐⭐⭐⭐ |
| 👥 static成员 | 所有对象共享，类外初始化，无this指针 | ⭐⭐⭐⭐⭐ |
| 🤝 友元 | 破坏封装，单向，不传递，不继承 | ⭐⭐⭐ |
| 🏠 内部类 | 外部类的友元，可直接访问外部类static成员 | ⭐⭐⭐ |
🎯 经典面试题
面试题1️⃣：求1+2+3+…+n
题目：求1+2+3+…+n，要求不能使用乘除法、for、while、if、else、switch、case等关键字及条件判断语句（A?B:C）
思路：可以利用静态成员和构造函数的特点，创建n个对象，每次构造时累加。
class Sum
{
public:
Sum()
{
_ret += _i;
_i++;
}
static int GetRet()
{
return _ret;
}
private:
static int _i;
static int _ret;
};
int Sum::_i = 1;
int Sum::_ret = 0;
class Solution
{
public:
int Sum_Solution(int n)
{
Sum::_i = 1;
Sum::_ret = 0;
Sum* p = new Sum[n];
delete[] p;
return Sum::GetRet();
}
};
面试题2️⃣：计算日期到天数的转换
题目：根据输入的日期，计算是这一年的第几天。
思路：累加前几个月的天数，再加上当前月的天数，注意闰年判断。
int GetDay(int year, int month)
{
static int days[] = {0, 31, 28, 31, 30, 31, 30, 31, 31, 30, 31, 30, 31};
int day = days[month];
if (month == 2 && ((year % 4 == 0 && year % 100 != 0) || (year % 400 == 0)))
{
day += 1; // 闰年2月多一天
}
return day;
}
int DateToDay(int year, int month, int day)
{
int sum = 0;
for (int i = 1; i < month; i++)
{
sum += GetDay(year, i);
}
sum += day;
return sum;
}
面试题3️⃣：日期差值
题目：计算两个日期之间相差的天数。
思路：分别计算两个日期距离公元1年1月1日的天数，然后相减取绝对值。
int DateToAbsDays(int year, int month, int day)
{
int sum = 0;
// 累加完整年份的天数
for (int y = 1; y < year; y++)
{
sum += 365;
if ((y % 4 == 0 && y % 100 != 0) || (y % 400 == 0))
{
sum += 1; // 闰年
}
}
// 累加当前年份前几个月的天数
for (int m = 1; m < month; m++)
{
sum += GetDay(year, m);
}
// 加上当前月的天数
sum += day;
return sum;
}
int DateDiff(int y1, int m1, int d1, int y2, int m2, int d2)
{
int days1 = DateToAbsDays(y1, m1, d1);
int days2 = DateToAbsDays(y2, m2, d2);
return abs(days1 - days2);
}
面试题4️⃣：打印日期
题目：根据年份和第几天，打印对应的日期。
思路：从1月开始逐月减去天数，直到找到对应的月份和日期。
void PrintDate(int year, int day)
{
int month = 1;
while (day > GetDay(year, month))
{
day -= GetDay(year, month);
month++;
if (month > 12)
{
month = 1;
year++;
}
}
printf("%04d-%02d-%02d\n", year, month, day);
}
面试题5️⃣：累加天数
题目：给定一个日期，加上若干天后，输出新的日期。
思路：从当前日期开始，逐天累加，注意跨年和闰年处理。
void AddDays(int& year, int& month, int& day, int add)
{
day += add;
while (day > GetDay(year, month))
{
day -= GetDay(year, month);
month++;
if (month > 12)
{
month = 1;
year++;
}
}
}
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